بخشی از مقاله
چکیده
جداسازی ذرات از جریان سیال به دلیل حفظ پاکیزگی محیط زیست در صنعت و تحقیقات مورد توجه محققین بوده است یکی از پرکاربرد-ترین تجهیزات جداساز ذرات، سیکلون میباشد. . در سیکلونها، جریان بهطور مماسی وارد سیکلون شده و با استفاده از نیروی گریز از مرکز یک ناحیه خلاء نسبی در بخش مرکزی آن ایجاد میشود، سیال توسط این ناحیه مکش از سیکلون خارج شده و ذرات توسط نیروی گریز از مرکز از ناحیه مرکزی و خلاء نسبی فاصله گرفته و به دلیل نیروی ثقل، در قسمت پایینی سیکلون جمع آوری میشود. سیکلونها در صنعت در دو آرایش سری و موازی بکار میروند.
در این مقاله، با استفاده از شبیهسازی عددی، مقایسه راندمان و افت فشار سیکلونهای سری تکی، دوتایی و سه تایی برای قطر ذرات مختلف و سرعتهای متفاوت جریان ورودی صورت گرفته است. نتایج این شبیهسازی نشان میدهد با افزایش قطر ذرات و سرعت ورودی، راندمان سیکلون افزایش مییابد. همچنین از مقایسه نتایج، میتوان نتیجه گرفت که سیکلون دوتایی با توجه به اینکه بیشترین راندمان را دارا میباشد و افت فشار آن از سیکلون سهتایی کمتر میباشد جهت استفاده در صنعت مناسب میباشد.
-1 مقدمه
مطالعه و تحقیق درمورد جداسازی ذرات از یک جریان به ویژه ذرات جامد از جریان گاز مبنای مهمی در طراحی و فرآیندهای صنعتی و زیست محیطی به شمار میرود. یکی از عمدهترین وسایلی که به این منظور مورد استفاده قرار میگیرد سیکلونها میباشد؛ سیکلونها بر اساس نیروی گریز از مرکز عمل جداسازی را انجام میدهند و با وجود ساختمان ساده، از لحاظ شکل هندسی پیچیده بوده و اهمیت عملکرد سیکلونها مطالعه و بررسی آن در جهت افزایش کارایی حائز اهمیت بسزایی میباشد و توجه دانشمندان زیادی را به خود جلب کرده است.
گیمبون[1] 1 درسال 2005 اثرات ابعاد هندسی بخش مخروطی را بر بازده و افت فشار سیکلون به صورت تجربی مورد آزمایش قرار داد، در آزمایش وی کاهش اندازه بخش مخروطی با افزایش راندمان همراه بود. چوآ و همکارانش در سال 2006 به مطالعه در این زمینه پرداختند. لی2 و همکارانش ×[2]در سال 2008 به مطالعه توسعه و استفاده از سیکلون تمیز کننده چرخشی جدید به صورت تجربی و آزمایشگاهی پرداختند و وابستگی راندمان جمعآوری ذرات در طراحی را بررسی کردند.
سانگ3 و همکارانش× بَب در سال 2009 به ارائهی رهنمودهایی برای طراحی بهینه و بهرهبرداری از دستگاه پرداختند و وابستگی راندمان جمعآوری ذرات در طراحی و عامل پارامترهای مشاهده شده در آزمایش را با استفاده از یک پارامتر نظری توضیح دادند و به ارائه رهنمودهایی برای طراحی بهینه و بهرهبرداری از دستگاه پرداختند. اولین نتایج بدست آمده در مدلسازی سیکلونهای گازی توسط بویسان×4 و همکارانش ×[4]ارائه شده است.
آنها با فرض اینکه جریان داخل سیکلون نسبت به محور سیکلون دارای تقارن میباشد یک هندسه دو بعدی را با استفاده از مدل تنشهای جبری برای محاسبه شش مؤلفه تنش رینولدز استفاده نمودند که با توجه به ورودی نامتقارن سیکلون و ناهمسانیهای موجود در هسته جریان، این فرض از اعتبار پایینی برخوردار بود و از دیگر جمله تحقیقات میتوان به مطالعات صورت گرفته در دهه نود توسط زو5 و سو [5] تحت مدل k- و کیم و لی براساس مدل تنشهای رینولدز6 و هوکاستار7 و همکارانشبّب×براساس مدلهای k- استاندارد و RNG اشاره کرد.
فینگ لیو8 و همکارانش ×[7]در سال 2014 به مقایسه تاثیرات سیکلون موازی پرداختند و مشاهده کردند برای ذرات بزرگتر راندمان سیکلونهای موازی بیشتر است و برای سرعت ورودی یکسان افت فشار در سیکلونهای موازی در حدود %16,8 بیشتر ازیک سیکلون است. پرانس بالترانس9 و همکارانش ×[8]در سال 2015 ساختارهای هندسی درونی از سیکلونهای چند کاناله را بهینهسازی کردند تا اثر جداسازی را بالا ببرند. آنها سرعت جریان هوایی بین 18-12 متر بر ثانیه را بررسی کرده و میانگین سرعت آن که 16 متر بر ثانیه است را در نظر گرفتند.
نتایج آنها نشان میدهد که راندمان با افزایش قطر برای دو ماده گرانیت و چوب به دلیل افزایش جرم افزایش مییابد. در سال 2015 و 2016 صفیخانی10 و همکارانش [9] مقالهای در مورد کارایی دستگاه جداساز سیکلون و طراحی آن ارائه کردند. آنها نتیجه گرفتند با افزایش فاصلهی بین ردیاب گردابه و محدودکننده گردابه، افزایش طول ردیاب گردابه و همچنین افزایش قطر محدود کننده گردابه افت فشار کاهش پیدا میکند.
هیگ11 و همکارانش [10] در سال 2015 و 2016 درمورد استفاده از سیالات محاسباتی برای سیکلونها در مقیاس کوچک برای استفاده به عنوان جاروبرقی مطالعاتی انجام دادند و با استفاده از دادههای تجربی در چهار مقیاس کوچک مدلسازی جریان معکوس سیکلونهای دارای ذرات با قطر 29 تا 52 میلیمتر و نرخ جریان از 60 تا540 لیتر بردقیقه را مورد بررسی قرار دادند. مشاهده کردند که روش عددی بر پیشبینی افت فشار تاثیر دارد و در مقایسه با دادههای آزمایشی افت فشار بیشتری را دارد.
شیلین چن12 و همکارانش [11] در سال 2016 ساختار و قاعدهی کار جداسازهای جدیدی را معرفی کردند و مطالعاتی در زمینهی جریان آنها و عملکرد جداسازیهای آنها انجام دادند. آنها یک جداکننده سیکلونی دینامیکی از نوع جریان برگشتی13 را نشان دادند. نحوه عملکرد این سیکلونها به گونهای است که گردوغبار از طریق ورودی وارد میشود و سپس به پروانه چرخشی رفته و شتاب میگیرد که به دلیل سرعت بالای پروانه است؛ درهمین حال ذرات به دیواره پرتاب شده و گاز تمیز به بخش مرکزی میرود و در نهایت از لوله اگزوز خارج میشود و سپس بخشی از گاز به لوله برگشتی برای جدایی ثانویه منتقل میشود.
این سیکلونها دارای افت فشار کم در حدود %10 در مقایسه با جداکنندههای بدون لوله برگشتی میباشد. از نتایج آنها مشاهده میشود که افزایش سرعت جریان، تاثیر مستقیم و اندکی با راندمان دارد. هانگ14 و همکارانش بٌٍب×در سال 2016 آزمایشها و شبیهسازیهای هندسی برای تخمین اثر آرام کننده جریان روی افت فشار سیکلونها انجام دادند، استفاده از آرام کنندهها اندکی افزایش در افت فشار در میان سیکلونها و اندکی کاهش روی سرعت مماسی گاز دارد.
مشاهده میشود که وجود آرام کننده جریان سبب کاهش راندمان میشود. صفیخانی [13] در سال 2016 مطالعاتی در زمینه بهینهسازی با استفاده از روش شبکههای عصبی و الگوریتم ژنتیک یک سیکلون جدید جدا کننده به نام سیکلون کاراگز15 انجام داد تا سیکلون با بیشترین راندمان و کمترین افت فشار بدست آید. میژولای 16و همکارانش [14] در سال 2016 اثر زاویهی دهانه ورودی مطابق شکل - α - 28 روی راندمان جداسازی یک سیکلون با دهانهی مارپیچی-پوششی را مورد بررسی قراردادند که برای شبیهسازیهای جریانهای بزرگ در پنج دهانهی مختلف - ْ، 15،11 ،20 و 25 درجه - استفاده کردند و سپس مشاهده کردند افزایش زاویهی ورودی راندمان جداسازی سیکلون را کاهش میدهد.
پژوهش های ذکر شده، اکثرا به تاثیرهای پارامترهای ورودی مانند سرعت، نوع سیال و نوع ذرات مورد بررسی پرداختهاند و بررسی تاثیر آرایش قرارگیری سیکلونها بصورت موازی و یا سری کمتر انجام شده است. از آنجائیکه استفاده از آرایش سری برای سیکلونها سبب میشود در چندین مرحله، پاکسازی جریان سیال صورت گیرد، آرایش سری برای سیکلونها کاربرد زیادی در صنعت دارد. در این مقاله، مقایسه سیکلونهای سری تکی، دوتایی و سهتایی از لحاظ افت فشار و راندمان به صورت عددی صورت گرفته است.
-2 مدلسازی عددی
-1-2تعریف مسئله و معرفی هندسی
مطابق شکل1، عملکرد سیکلونها بدینصورت است که جریان هوای کثیف بهطور مماسی وارد سیکلون شده و با استفاده از نیروی گریز از مرکز، یک ناحیه خلاء نسبی در بخش مرکزی آن ایجاد میشود، سیال تمیز توسط این ناحیه مکش از سیکلون خارج شده و ذرات توسط نیروی گریز از مرکز از ناحیه مرکزی و خلاء نسبی فاصله گرفته و به دلیل نیروی ثقل، در قسمت پایینی سیکلون جمع آوری میشود. در این تحقیق از سیکلون به ابعاد و هندسهای که در شکل 2 مشاهده میشود استفاده شده است همچنین از همین ابعاد برای سیکلونهای سری دوتایی و سه تایی نیز استفاده شده است.
سرعت جریان ورودی 10 متر برثانیه فرض شده است. برای شبیهسازی از نرم افزار انسیس فلوئنت 16 استفاده شده است. در نرم افزار، شرط ورودی سرعت معلوم و شرط خروجی فشار اتمسفر درنظر گرفته شده است. جهت مدلسازی آشفتگی از مدل Ɛ؛k استاندارد استفاده شده است که این مدل بر روی عملکردهایی که بر روی انرژی جنبشی آشفته اثر میگذارد متمرکز شده است.
